[发明专利]一种二硫化钴/硼氮硫共掺杂多孔碳复合材料及其制备方法与应用

说明书

一种二硫化钴/硼氮硫共掺杂多孔碳复合材料及其制备方法与应用，以金属有机框架材料ZIF‑67、含氮碳源、硼源以及限域溶剂混合配制胶状前驱体，将所得前驱体经高温限域碳化后，再对其进行硫化处理获得一种细小CoSsubgt;2/subgt;纳米颗粒弥散分布于硼氮硫共掺杂多孔碳基体的复合材料。复合材料中，较大的比表面积增强了电解液的浸润与渗透；纳米结构的多孔碳和CoSsubgt;2/subgt;可有效缩短电荷传输距离，增强电化学反应动力学；硼氮硫共掺杂碳基体可提供更为丰富的电化学反应活性位点，其丰沛的多孔连通结构有利于增强电荷迁移，同时缓解充放电过程中电极材料的体积变化，改善电极材料的电化学稳定性，可作为一种性能优异的钠离子电池负极材料。

技术领域

本发明属于新能源材料与器件技术领域，尤其涉及一种二硫化钴/硼氮硫共掺杂多孔碳复合材料及其制备方法与应用。

背景技术

随着环境治理和经济发展共存目标的提出，发展新型清洁环保能源已成为众多科研工作者竞相争夺的制高点。其中，电化学储能技术已成为优化能量传输、消纳清洁能源、保障电网稳定运行及改善电能质量等的关键支撑技术。作为新一代高性能储能器件装置，锂离子电池因自放电小、能量密度高及循环寿命长已在智能电动汽车和各类便携式电子产品等领域中得到广泛应用。然而，锂资源的储量稀缺、地缘分布不均以及储能成本不断攀升等因素严重限制了锂离子电池在未来各类储能领域中的长足发展。钠与锂为同主族元素，二者具有相似的储能机制。此外，钠因储量丰富、溶剂化效应低及宽温度范围适应性等优势，使得钠离子电池成为未来大规模、低成本储能领域替代锂离子电池最具潜力的候选者。

钠离子电池作为新型的储能电池体系，拥有良好的应用前景。然而，钠离子半径(0.102nm)比锂离子半径(0.076nm)大，较大的离子半径导致很多适用于储锂的电极材料并不适用于储钠，缺乏性能优异的储钠电极材料严重制约着钠离子电池的发展。钠离子电池负极材料作为电池的核心组成部分之一，负责提供低氧化还原电对和存储钠离子，对电池工作电压和容量产生直接影响，因而其电化学特性和结构稳定性对电池的能量密度、循环稳定性及安全性能至关重要。然而，目前广泛应用的碳基材料存在储钠容量低、循环性能差等缺点，因此合理设计并构建高性能钠离子电池负极材料是提高钠离子电池能量密度和推动其商业化应用进程的关键。

过渡金属硫化物具有较高的储钠理论容量，适中的层间距有利于钠离子的可逆嵌入/脱出，此外其金属-硫键结合力较弱，有利提高钠离子与活性材料间转化反应动力学。因此，过渡金属硫化物成为具有良好发展前景的钠离子电池负极材料。其中，与其它过渡金属硫化物相比，二硫化钴(CoS₂)具有较高的电导率，有利于增强转化反应中的电化学动力学。然而，研究表明CoS₂电极材料在循环过程中会因较大的体积膨胀发生结构坍塌，造成不可逆电化学反应，导致其在钠离子电池中容量快速衰减，循环性能差。因此，合理设计具有稳定结构和良好电化学特性的CoS₂基复合材料作为储钠负极材料对钠离子电池的发展与应用具有重要推动意义。

发明内容

本发明的目的在于针对现有钠离子电池负极材料及其制备技术的不足，提供了一种二硫化钴/硼氮硫共掺杂多孔碳复合材料及其制备方法，本发明利用该复合材料制备获得的钠离子电池负极材料呈现出高比容量、优异的倍率性能和循环稳定性。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

本发明提出的一种二硫化钴/硼氮硫共掺杂多孔碳复合材料，其结构中，硼氮硫共掺杂多孔碳基体中均匀分散着细小的CoS₂纳米颗粒。